The effect of melatonin and copper oxide nanoparticles on drought tolerance in selected wheat cultivars

Document Type : Original Article

Authors

Department of Biology, Faculty of Sciences, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran

Abstract

To study the effects of melatonin and copper oxide nanoparticles on drought stress tolerance in two wheat cultivars (drought-tolerant Sirvan and drought-sensitive Marvdasht), a greenhouse factorial experiment was conducted using a completely randomized design with three replications. The experimental treatments included three irrigation levels (30, 50, and 70% of field capacity), three levels of copper oxide nanoparticles (0, 50, and 100 mg/L), and two levels of melatonin (0 and 100 μM). The results showed that drought stress in both cultivars decreased growth indices, photosynthetic pigment content, and crop yield. Melatonin treatment had a positive effect on leaf area index, relative leaf water content, chlorophyll a and b content, and carotenoids at the 1% level, as well as on crop production indices such as grain number, thousand-grain weight, and biological yield at the 5% level. Additionally, under drought stress conditions, copper oxide nanoparticles improved dry weight, grain number, thousand-grain weight, and photosynthetic pigment content at the 1% level, and leaf area index, relative growth rate, relative water content, and biological yield at the 5% level. Combined treatment with copper oxide nanoparticles and melatonin increased most of the studied indices under drought stress. Therefore, the use of melatonin as a growth regulator and copper oxide nanoparticles as an elicitor can increase wheat tolerance to severe drought stress.
Introduction
Cereals are the basis of agricultural production in every country, and wheat is of particular importance alongside rice and maize. Wheat (Triticum aestivum L.) is the staple food in many countries worldwide and has a strong influence on food security, the economy, and even political stability. Given the impossibility of a significant increase in cultivated area despite rising consumption demands, the most effective way to increase wheat production is to improve yield; however, drought represents a major constraint to this goal. Therefore, the use of strategies that enhance this strategic crop's resistance to water deficit is of great importance.
Melatonin enhances plant defense responses to environmental stresses, particularly by scavenging free radicals. Copper is widely distributed in plant tissues and, as an essential micronutrient, plays a key role in many physiological processes. Numerous studies have reported the positive effects of copper, in the form of conventional salts or nanoparticles, on plant physiological indices, especially under stress conditions. In most field-based selection tests of crops, grain yield alone is considered. To improve the efficiency of breeding programs aimed at developing cultivars adapted to arid and semi-arid regions, reliable indicators of cultivar stability under drought stress, such as grain yield, should be used as selection criteria.
Accordingly, in the present study, the performance of two irrigated wheat cultivars (Marvdasht, susceptible to drought, and Sirvan, less sensitive to drought) under drought stress conditions, as well as the effects of melatonin and copper oxide nanoparticles on drought tolerance, were investigated and compared.
 
Material and Methods
 Seeds of two wheat cultivars, Sirvan and Marvdasht, were obtained from the Karaj Institute of Seed and Seedling Breeding and Production Research and were cultivated in the Plant Physiology Research Greenhouse of Bu-Ali-Sina University. Copper oxide nanoparticle treatment was performed as seed priming before planting them in pots. The pots were irrigated to 70% of the field capacity of soil water by daily weighing until the three-leaf stage of the seedlings. Then, irrigation was applied to induce drought stress at three levels: normal (FC 70%), moderate (FC 50%), and severe (FC 30%). Melatonin was sprayed at a concentration of 100 μM in three stages, with 10-day intervals. Fresh plant samples were used to evaluate growth indices, and frozen samples stored at -80 °C were used to measure biochemical indices. Some important indices, including leaf area, relative water content (RWC), plant dry weight at the end of the vegetative phase, relative growth rate (RGR), grain yield, weight of 1,000 grains, biological yield, and photosynthetic pigment content, were evaluated in two wheat cultivars using conventional methods.
 
Results and Discussion
The results indicated that the effects of drought stress on leaf area reduction in the two wheat cultivars, as well as the effects of melatonin and copper oxide nanoparticles, were significant. In fact, the irrigation rate was highly effective in determining plant size, leaf area, and leaf thickness, and under severe drought stress, the leaves became clearly thinner and shorter. Melatonin and copper oxide nanoparticles had a positive effect on leaf relative water content. Drought reduced relative water content in the Sirvan cultivar, whereas melatonin and copper oxide nanoparticles increased it.
Drought stress reduced the total plant dry weight at the end of the vegetative phase. Copper oxide nanoparticles and melatonin significantly increased dry weight under drought stress. A significant difference was observed between the two cultivars in relative growth rate, especially under drought stress, and copper oxide nanoparticles and melatonin had a positive effect. The highest grain weight per pot was obtained under regular irrigation with 100 mg/L copper oxide nanoparticles. In contrast, the lowest grain weight was observed in the Marvdasht cultivar under severe drought stress without treatment.
Previous studies have shown that thousand-grain weight in wheat plants decreases under drought stress. The use of growth regulators such as melatonin can reduce the destructive effects of water deficit and increase grain yield. Under regular irrigation, the Sirvan cultivar exhibited a lower grain number but a higher grain weight, whereas the Marvdasht cultivar showed a higher grain number and lower grain weight. This difference is often attributed to accelerated ripening and a shorter grain-filling period.
The highest thousand-grain weight was observed in the Sirvan cultivar treated with melatonin and copper oxide nanoparticles under regular irrigation. In contrast, the lowest value was observed in the Marvdasht cultivar under severe drought stress. Overall, these effects may be associated with faster ripening and a shorter grain-filling period. In both cultivars under normal irrigation, melatonin and 100 mg/L copper oxide nanoparticles increased plant dry weight. Under stress conditions, the highest plant dry weight was obtained in the presence of melatonin.
The results also showed that severe drought significantly reduced photosynthetic pigment content in both cultivars; however, melatonin and copper oxide nanoparticles alleviated the adverse effects of drought. A significant increase in photosynthetic pigments following treatment with copper oxide nanoparticles and melatonin has been reported previously. The enhancement of photosynthesis may be attributed to increased nanoscale copper activity in plants.
 
Conclusion
Drought stress negatively affected all the studied indices in both wheat cultivars, leading to significant decreases in various growth indices. By reducing the photosynthetic pigment content, drought stress reduced photosynthesis and, consequently, grain production. The application of melatonin mitigated the negative effects of drought and improved crop production, as indicated by both grain number and grain weight. Copper oxide nanoparticles also had a significant positive effect on most of the studied indicators by alleviating the adverse effects of drought. Moreover, the combined application of copper oxide nanoparticles and melatonin improved most of the studied indicators under drought stress. Although the Sirvan cultivar yielded less than the Marvdasht cultivar under normal irrigation conditions, it performed better under stress. Overall, the effect of melatonin and copper oxide nanoparticles on drought stress tolerance was greater in the Sirvan cultivar than in the Marvdasht cultivar.

Keywords

Main Subjects

Full Text

مقدمه

غلات اساس تولیدات کشاورزی هر کشوری است و گندم در کنار برنج و ذرت از اهمیت ویژه­ای برخوردار است. گندم (Triticum aestivum) غذای اصلی بسیاری از کشورهای دنیا است و امنیّت غذایی، اقتصادی و حتی سیاست کشورها را تحت تأثیر خود قرار داده­است. گندم در مناطق نیمه­خشک (با بارندگی سالانه500-250 میلی­متر)، نیمه­مرطوب (با بارندگی سالانه 700-500 میلی­متر) و خشک (با بارندگی سالانه حدود 200 میلی­متر) تولید می­شود (Chopra & Paroda, 2015). با توجه به عدم امکان افزایش وسیع سطح زیر کشت علیرغم افزایش روز افزون نیازهای مصرف بهترین راه برای افزایش تولید گندم افزایش بازده و عملکرد آن در واحد سطح است، امّا معضل جدی در این راه خشکسالی است. تنش خشکی یکی از مهمترین عوامل کاهش عملکرد گیاهان زراعی در اکثر مناطق زیر کشت است. در مناطق خشک و نیمه­خشک، کمبود آب در زمان­های حساس رشد، از مهمترین عوامل محدود کننده عملکرد اقتصادی گیاهان است. در هنگام بروز انواع مختلف تنش بویژه تنش خشکی در مراحل مختلف رشدی گندم، میانگین عملکرد سالانه به 30% حداکثر عملکرد بالقوه گیاه تقلیل می­یابد (Deng et al., 2005). بنابراین بکارگیری راهکارهایی که منجر به افزایش مقاومت این محصول راهبردی نسبت به کم آبی شود، بسیار حائز اهمیت است.

ملاتونین (N-acetyl-5-methoxytryptamine) یک ترکیب مشتق­شده از تریپتوفان است که پاسخ­های دفاعی گیاه را در مواجه با تنش­های محیطی تقویت نموده و به طور ویژه توانایی جاروب­کردن رادیکال­های آزاد را دارد (Cui et al., 2017). ملاتونین به عنوان یک کاهش‌دهنده تنش عمل می‌کند و توانایی تحمّل طیف وسیعی از تنش‌های غیر زیستی از جمله تنش دمایی، خشکی، شوری و تنش­های زیستی مانند عوامل بیماری‌زا و آفات را به گیاهان می‌بخشد (Li et al., 2023). افزایش مقاومت گیاه به تنش‌های غیرزیستی توسط ملاتونین توسط فعال‌سازی آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی، افزایش تجمع مواد تنظیم‌کننده اسمزی، حفظ هموستازی یونی، تنظیم بیان پروتئین­های پاسخ به گرما heat-expressed protein)) و تعدیل بیان ژن‌های پاسخ‌دهنده به تنش صورت می­گیرد (Colombage et al., 2023). در تنش خشکی مقدار رادیکال­های آزاد مختلف افزایش یافته و گزارش شده که بیش­بیانی ملاتونین در گیاهان تراریخته می­تواند مقاومت گیاه در برابر تنش خشکی را افزایش دهد (Wang et al., 2017). در شرایط عادی ملاتونین بر پتانسیل آب تأثیر معنی­داری ندارد، امّا در هنگام تنش خشکی می­تواند مانع از افت شدید پتانسیل آب گیاه شود (Dongxiao et al., 2017). با افزایش غلظت ملاتونین، محتوای پروتئین محلول و فعالیت آنزیم سوپر اکسید دیسموتاز افزایش یافته و از آسیب غشای سلولی  جلوگیری کرده و نتیجه­ی آن در سویای تحت تنش خشکی، افزایش توان فتوسنتزی و وزن هزار دانه شد (Zou Jin et al. 2019). ملاتونین توسط تعامل با سایر فیتوهورمون‌ها، اثرات چند نمودی در فیزیولوژی، رشد نمو و پاسخ‌ به تنش اعمال می‌کند. همچنین برخی پژوهش­ها نشان داده­اند که مشتقات ملاتونین می‌توانند به عنوان کاندیداهای ضد قارچی امیدوارکننده توسعه یابند (Cai et al., 2025). مس به شکل گسترده در بافت­های گیاهی توزیع شده­است و به عنوان یک ریز مغذی ضروری در بسیاری از فرایندهای فیزیولوژیکی گیاه نقش دارد (Chibber et al., 2013). مس در کلروپلاست­ها نقش مهمی در بیوسنتز کلروفیل و سایر رنگیزه­ها ایفا می­کند و برای متابولیسم پروتئین و کربوهیدرات نیز ضروری است (Rai et al., 2018). نانو ذرات مس (CuNPs) بر تنظیم فعالیت روزنه‌ها و کاهش اتلاف آب در زمان تنش تأثیر دارند (Van Nguyen et al., 2021). گزارش­های متعددی در مورد اثرات مثبت مس در اشکال نمک­های معمول یا نانوذرات در بهبود شاخص‌های فیزیولوژیکی گیاهان بویژه در شرایط تنش وجود دارند. نانو ذرات مس در گیاهان ذرت، گندم و سویا تحت تنش خشکی، سبب افزایش محتوای نسبی آب، محتوای رنگیزه­های فتوسنتزی، میزان زیست­توده و بیان ژن­های شاخص مقاومت به خشکی شده­است (Taran et al., 2017; Linh et al., 2020). در پژوهش Van Nguyen et al. (2021) تأثیر پرایمینگ بذر ذرت با نانو اکسید مس بر تحمّل تنش خشکی بررسی شد. نتایج حاکی از افزایش محتوای نسبی آب برگ، محتوای کلروفیل a و کاروتنوئیدها، تجمع آنتوسیانین­ها و افزیش فعالیت آنزیم­های‌ SOD و APX جهت سم‌زدایی­ROS های اضافی بود که سبب حفظ فتوسنتز و القاء سازوکارهای حفاظتی جهت تعادل رشد و پاسخ به تنش خشکی شد و در نهایت منجر به بهبود عملکرد زیستی و عملکرد دانه ذرت تحت شرایط تنش خشکی شد. در اغلب آزمون­های گزینش مزرعه­ای گیاهان زراعی، فقط عملکرد دانه مدنظر قرار می­گیرد، در حالی که برخی پژوهشگران معتقدند برای دستیابی به راندمان بیشتر در اصلاح ارقام سازگار به مناطق خشک و نیمه­خشک، باید شاخص­های موثر در شناسایی پایداری ارقام در تنش خشکی مانند عملکرد دانه به عنوان معیارهای انتخاب مورد استفاده قرار گیرند. به عبارت دیگر، وضعیت عملکرد نسبی ارقام زراعی در شرایط عادی و تنش خشکی در کنار عملکرد دانه و میزان محصول، برای شناسایی و گزینش ارقام جهت کشت در مناطق خشک حائز اهمیت است (Ehdaie & Waines, 1993). بر همین اساس در پژوهش حاضر عملکرد دو رقم گندم آبی (مرودشت با حساسیت زیاد و سیروان با حساسیت کمتر به خشکی) تحت شرایط تنش خشکی و اثرات ملاتونین و نانوذره اکسید مس بر تحمل این تنش، مورد بررسی و مقایسه قرار گرفت.

مواد و روش­ها

بذور دو رقم گندم سیروان و مرودشت از موسسه تحقیقات اصلاح و تهیه نهال و بذر کرج تهیه شد و کشت آن­ها در گلخانه­ تحقیقاتی فیزیولوژی گیاهی دانشگاه بوعلی­سینا (طول جغرافیایی ¢49 و°48، عرض جغرافیایی ¢79 و°34 و ارتفاع 1842متر از سطح دریا) انجام شد. بذرها به تعداد 20 عدد در هر گلدان کاشته شدند و برای هر تیمار سه تکرار و برای هر تکرار سه گلدان انتخاب شد. تیمار نانوذره اکسید مس به‌صورت خیساندن بذر در محلول نانوذره قبل از کاشت آن­ها در گلدان انجام شد. پودر نانوذرات اکسید مس با اندازه40 نانومتر و خلوص 99 درصد (US3070CAS)  از شرکت Research US Nanomaterials  تهیه شد. مخلوط آبی نانو ذرات در غلظت­های صفر، 50 و100 میلی­گرم در لیتر، قبل از استفاده توسط امواج اولتراسوند با قدرت 90-80 هرتز و دور 100 سونیکیت شدند تا نانو ذرات به حالت سوسپانسیون در آمده تا از رسوب یا به هم چسبیدن آنها جلوگیری شود و به‌راحتی قابل جذب برای گیاه باشند. بذر­ها در ظروف جداگانه با مخلوط آبی نانوذره به مدت 24 ساعت بر روی شیکر تیمار شده و سپس بلافاصله در گلدان­ها کاشته شدند (شکل 1). گلدان­ها در گلخانه با دمای 3±20 درجه سلسیوس و دوره نوری 12 ساعت تاریکی و 12 ساعت روشنایی به میزان 180 میکرومول بر متر ثانیه نگه­داری شدند. گلدان­ها با توجه به میزان 70% ظرفیت زراعی آب خاک (Field Capacity)، توسط توزین روزانه تا مرحله سه برگی گیاهچه­ها آبیاری شدند و سپس آبیاری جهت اعمال تنش خشکی در سه سطح نرمال ( FC70%)، متوسط (FC 50 %) و شدید (FC 30%) کنترل شد. وزن مناسب گلدان­ها برای هر کدام از ظرفیت زراعی 70 ،50 و30%، توسط روش Tommasini et al. (2008) محاسبه شد. به عبارت دیگر، گلدان­ها روزانه توزین شدند و سپس با رسیدن رطوبت خاک به 50% و30% ظرفیت زراعی (FC) بر اساس وزن محاسبه شده، محلول­پاشی ملاتونین با غلظت‌ 100 میکرومولار آغاز شد. این عمل در سه مرحله و در فواصل 10 روزه انجام و در تیمارهای شاهد از آب مقطر استفاده شد. برای ارزیابی شاخص­های رشدی از نمونه­های گیاهی تازه و برای سنجش شاخص­های بیوشیمیایی از نمونه­های فریز شده در فریزر 80- درجه سلسیوس استفاده شد. همچنین بخشی از گیاهان تا پایان دوره رشد و تولید دانه در گلدان حفظ شدند و آبیاری آن­ها با همان نسبت 70، 50 و 30 درصد ظرفیت زراعی ادامه یافت.

شکل 1- الف. گیاهان گندم در فاز رویشی، ب. گیاهان گندم پس از اعمال تنش خشکی (سمت راست تحت تنش 30%، وسط تحت تنش 50% و سمت چپ تحت آبیاری نرمال یا 70% ظرفیت زراعی)، ج. گیاهان گندم در فاز زایشی.

Figure 1- A. Wheat plants at vegetative phase. B. Wheat plants after applying drought stress (right side under 30% stress, middle under 50% stress and left side under normal irrigation or 70% FC. C. Wheat plants at reproductive phase.

 

 

ارزیابی سطح برگ: برای اندازه­گیری سطح برگ از رابطه زیر استفاده شد:

رابطه 1:     

                              LA = L × W × 0.75

که در آن L طول برگ،W  عرض برگ و 75/0 ضریب ویژه گندم است (Johnson & Wilcoxson, 1978).

 

ارزیابی محتوای نسبی آب: جهت ارزیابی محتوای نسبی آب (RWC)، برگ‌های کاملاً توسعه یافته پس از برداشت بلافاصله توزین شده و مقدار آن ثبت شد (fresh weight)، سپس نمونه‌های گیاهی در آب مقطر در دمای محیط (25 درجه سلسیوس) غوطه‌ور شدند و پس از گذشت 24 ساعت، از آب مقطر خارج و مجدد توزین شدند (turgid weight). نمونه‌های توزین­شده به مدت 48 ساعت در دمای 70 درجه سلسیوس قرار گرفتند تا به طور کامل خشک شوند و سپس وزن آن­ها ثبت شد (dry weight). درصد محتوای نسبی آب با استفاده از رابطه 2 محاسبه شد (Kumar & Sharma, 2007).

رابطه 2:

                     RWC (%) = [(fresh weight - dry weight) / (turgid weight - dry weight)] ×100

 

ارزیابی وزن خشک گیاه در پایان فاز رویشی: جهت انجام کار بافت گیاهی (بخش هوایی و ریشه) به مدت 48 ساعت در دمای 70 درجه سلسیوس در آون قرار گرفتند و پس از عدم مشاهده تغییرات وزنی، وزن خشک آن­ها با ترازو اندازه­گیری و ثبت شد.

 

ارزیابی میزان رشد نسبی: میزان رشد نسبی (RGR) مهمترین بخش آنالیز رشد است، زیرا می‌توان بدون نیاز به اندازه سطح همگون‌ساز، می­توان مقدار ماده افزایش­یافته در گیاه را طی مدت زمان مشخصی اندازه گرفت. برای محاسبه­ RGR از رابطه زیر استفاده شد:

رابطه 3: 

                 =RGR

که در آن t1 زمان شروع تیمار و t2 زمان برداشت است، Ln لگاریتم نپرین، W1و W2 به ترتیب وزن خشک کل گیاه در ابتدا و انتهای آزمایش است. RGR بر حسبg kg -1d -1 بیان شد (g: گرم،kg : کیلوگرم،  :dروز) (Poorter & Remkes, 1990).

 

ارزیابی عملکرد دانه: جهت ارزیابی عملکرد دانه، دانه­ها در مرحله رسیدگی کامل از 10 بوته (در یک گلدان) برداشت شدند، تعداد و وزن آن­ها اندازه­گیری شد. وزن هزار دانه نیز به‌عنوان اجزای عملکرد دانه اندازه­گیری شد.

 

ارزیابی عملکرد زیستی: جهت ارزیابی عملکرد زیستی، وزن خشک بخش هوایی و سنبله به مدت 48 ساعت در آون قرار داده شد و سپس با ترازو اندازه­گیری و ثبت شد. 

 

ارزیابی محتوای رنگیزه­های فتوسنتزی: بدین منظور 5/0 گرم برگ تازه با 5 میلی­لیتر آب مقطر در هاون چینی کاملاً سائیده شد تا مخلوط یکنواختی بدست آید. مخلوط حاصل با آب مقطر به حجم 25 میلی­لیتر رسانده شد. سپس 5/0 میلی­لیتر از آن با 5/4 میلی­لیتر استون 80% کاملا مخلوط و به مدت 10 دقیقه با سرعت3000 دور در دقیقه سانتریفیوژ شد. از سوی دیگر، محلول رویی جدا شد و جذب نوری آن توسط اسپکتروفتومتر در طول موج‌های 663 و 645 و 470 نانومتر خوانده شد. محتوای کلروفیل a، کلروفیل b، کلروفیل کل و کاروتنوئیدها با استفاده از روابط 4-6 محاسبه و بر حسب میلی‌گرم بر گرم وزن تر برگ بیان شد (Arnon, 1949):

 

رابطه 4:

a کلروفیل (mg g-1 FW) = [(12.75 × A663) - (2.69 × A645)] × V/1000W                                    

رابطه 5:

b کلروفیل (mg g-1 FW) = [(22.9 × A645) – (4.69 × A663)] × V/1000W                                      

رابطه 6:

کاروتنوئید (mg g-1 FW) = [(1000 × A480 ) – (2.27 × Chla )] – (81.4 × Chlb ) / 227 × V/1000W            

 

تحلیل آماری: جهت تحلیل آماری داده‌ها از نرم‌افزار SAS (Version 9.2) استفاده شد و بررسی معنی‌دار بودن اختلاف بین میانگین داده­ها در سطح احتمال 5 درصد (05/0 ≥ P) توسط آزمون دانکن انجام شد.

 

نتایج و بحث

سطح برگ: نتایج حاصل از تجزیه واریانس تیمارها حاکی از معنی‌دار بودن اثر تنش خشکی بر شاخص سطح برگ در سطح 1% بود و تأثیر ملاتونین و نانوذره اکسید مس نیز در سطح 1% بر این شاخص معنی­دار بود (جدول 1). اثر متقابل ملاتونین و رقم بر این شاخص معنی‌دار نبود و تأثیر ملاتونین در سطح 1% در هر دو رقم یکسان بود. ارقام سیروان و مرودشت در شرایط آبیاری نرمال تفاوت معنی­داری در شاخص سطح برگ نشان ندادند، امّا تحت تنش خشکی تفاوت آن­ها معنی­دار بود و رقم حساس مرودشت 64% و رقم مقاوم سیروان 48% کاهش سطح برگ نسبت به شاهد نشان دادند (جدول 2). در واقع میزان آبیاری در اندازه بوته، مساحت و ضخامت برگ­ها بسیار موثر بوده و در تنش شدید خشکی، برگ­ها به‌وضوح باریک­تر و کوتاه­تر شدند. سطح برگ شاخص تعیین­کننده میزان جذب پرتوهای نور است و میزان جذب نور نیز میزان تولید ماده خشک و از سوی دیگر تعرق گیاه را مشخص می­کند. گیاه در مواجهه با تنش خشکی روزنه­های خود را بسته و تعرق را کاهش می­دهد، بنابراین کاهش محتوای نسبی آب برگ سبب کاهش فتوسنتز می­شود (Sibel & Birol, 2007). همچنین بسته­بودن روزنه­ها سبب کاهش میزان ­دسترسی به دی­اکسیدکربن لازم برای فتوسنتز می­شود و کاهش فتوسنتز و تقسیم سلولی و نیز تاخوردگی غشاء به علّت پلاسمولیز سلول، از نتایج احتمالی کاهش سطح برگ به حساب می­آیند (Haqshenas et al., 2025).

 

محتوای نسبی آب برگ: محتوای نسبی آب برگ نشان­دهنده میزان آسیب‌های ناشی از تنش خشکی است. هر چقدر محتوای نسبی آب بیش‌تر باشد، میزان فتوسنتز افزایش یافته و به دنبال آن عملکرد گیاه در شرایط تنش بهتر می‌شود (Farooq et al., 2009). علّت کاهش محتوای نسبی آب برگ، کاهش فتوسنتز، بسته­شدن روزنه­ها و کاهش هدایت روزنه­ای و جذب آب و هدایت آن به برگ است. نتایج تجزیه واریانس پژوهش حاضر نشان داد که تیمارهای ملاتونین و نانو ذره اکسید مس در سطح 1% بر این شاخص تأثیر داشتند (جدول 1). مقایسه میانگین­ها نشان داد که تنش خشکی سبب افت 31 درصدی محتوای نسبی آب برگ در رقم سیروان شد، لیکن تیمار ملاتونین آن را به 20% و نانو ذره اکسید مس به 25% رساند (جدول 2). در پژوهش‌های انجام­شده بر روی گندم سیاه نیز استفاده از ملاتونین در غلظت 375 میکرومولار، هم به‌صورت پیش­تیمار بذر و هم به‌صورت محلول­پاشی سبب تعدیل RWC در گیاه Fagopyrum esculentum تحت تنش خشکی شد (Amerian et al., 2022). در گیاه Cucumis sativus تحت تنش خشکی شدید، نیز ملاتونین سبب افزایش RWC شد (Janas & Posmyk, 2013).

 

وزن خشک گیاه در پایان فاز رویشی: یافته­های حاصل از تجزیه واریانس نشان داد که تیمارهای ملاتونین و نانوذره اکسید مس به ترتیب در سطوح 5% و 1% بر این شاخص تأثیر داشتند و اثر تنش خشکی نیز در سطح 1% بر وزن خشک معنی‌دار بود (جدول 1). مقایسه میانگین نشان داد که تنش خشکی وزن خشک کل گیاه در پایان مرحله رویشی را کاهش داده و میزان کاهش این شاخص در خشکی شدید بیشتر بود. تیمار نانوذره اکسید مس به ویژه در غلظت 100 میلی‌گرم در لیتر، سبب افزایش وزن خشک در شرایط تنش خشکی و نزدیک‌شدن مقدار آن به شرایط آبیاری نرمال در هر دو رقم شد. در نهایت بیشترین وزن خشک در ارقام مورد بررسی تحت آبیاری نرمال و تیمارهای موجود (رقم سیروان 903/0 و رقم مرودشت 968/0) و کمترین وزن خشک در شرایط خشکی شدید و بدون تیمار (رقم مرودشت 15/0) مشاهده شد (جداول 2 و 3). نتایج پژوهش­های قبلی حاکی از آن است که کمبود منابع آبی در دسترس در مراحل مختلف رشدی گیاه سبب کاهش سطح برگ، کاهش جذب نور، کاهش فتوسنتز و در نهایت کاهش میزان محصول و زیست­توده گیاه می­شود (Farooq et al., 2009) که با نتایج این پژوهش همسو است.

 

سرعت رشد نسبی: بر اساس جدول تجزیه واریانس، بین دو رقم مقاوم و حساس در شاخص سرعت نسبی رشد در سطح 1% اختلاف معنی‌دار مشاهده شد و نانو ذره اکسید مس و ملاتونین نیز در سطح 1% تأثیر داشتند (جدول 1). نتایج مقایسه میانگین نیز نشان داد که سرعت نسبی رشد در رقم مقاوم به ویژه در شرایط تنش خشکی(d-1 g kg-1 014/0)، بیش‌تر از رقم حساس ( d-1 g kg-1011/0) بود. اثر متقابل نانوذره اکسید مس و ملاتونین در سطح 1% معنی­دار بود. در رقم سیروان در شرایط تنش خشکی شدید با اعمال دو تیمار ذکر شده، شاخص سرعت نسبی رشد نسبت به شاهد 21% و در رقم مرودشت 46% افزایش یافت (جدول 2). در واقع کاهش میزان سرعت نسبی رشد در هنگام تنش خشکی شدید، در رقم مقاوم کمتر از رقم حساس بود و به همین علّت تأثیر تیمارها بر رقم حساس مشهودتر بود. همچنین اثر متقابل ملاتونین، نانو ذره اکسید مس، خشکی و رقم معنی­دار نبود.

 

 

جدول 1- تجزیه واریانس اثر تیمارهای ملاتونین و نانوذره اکسید مس بر عملکرد دو رقم گندم تحت تنش خشکی در انتهای فاز رویشی.

Table 1- Analysis of variance of the effects of melatonin and copper oxide nanoparticle treatments on the performance of two wheat cultivars under drought stress at the end of vegetative phase.

 

S.o.V

df

LA

RWC

Dry weight

RGR

 

 

Cultivar

1

18.18**

499.78**

0.265**

7.78**

 

 

Melatonin

1

75.71**

28.28**

0.015*

0.00**

 

 

Cultivar × Melatonin

1

0.5ns

18.39*

0.001ns

1.13**

 

 

CuO Nps

2

5.56**

152.97**

0.247**

6.73**

 

 

Cultivar × CuO Nps

2

1.19*

8.93ns

0.0337**

5.45*

 

 

Melatonin × CuO Nps

2

4.4**

61.81**

0.063**

2.85**

 

 

Cultivar × Melatonin × CuO Nps

2

4.26*

31.32*

0.047*

1.28ns

 

 

Drought

2

419.32**

5879.43**

1.86**

0.002**

 

 

Cultivar × Drought

2

0.445**

109.73**

0.018ns

6.28**

 

 

Melatonin × Drought

2

4.45**

29.78**

0.03*

2.009ns

 

 

Cultivar × Melatonin × Drought

2

0.092ns

6.17ns

3.25ns

2.39ns

 

 

CuO Nps × Drought

4

1.7*

9.98*

0.092**

1.42ns

 

 

Cultivar × CuO Nps × Drought

4

0.74ns

25.65**

0.109**

2.53*

 

 

Melatonin × CuO Nps × Drought

4

3.61**

1.21ns

0.034**

5.37ns

 

 

Cultivar × Melatonin × CuO Nps ** Drought

4

1.19*

7.76ns

0.009ns

7.58ns

 

 

Error

72

0.364

3.84

0.007

9.35

 

C.V (%)

  

0.035

0.16

0.51

0.28

 
               

**، *و ns به ترتیب بیانگر­ معنی­دار بودن در سطوح 1% ، 5% و عدم معنی­دار بودن است.

**,* and ns represent significant at 1% and 5% probability level and not significant, respectively.

 

 

جدول 2- مقایسه میانگین اثر تیمارهای ملاتونین و نانوذره اکسید مس بر عملکرد دو رقم گندم تحت تنش خشکی در انتهای فاز رویشی.

Table 2- Mean comparison of the effects of melatonin and copper oxide nanoparticle treatments on the performance of two wheat cultivars under drought stress at the end of vegetative phase.

Melatonin (µM)

Cultivar

CuO NPs (mg/L)

Drought

(%FC)

LA

(cm2)

RWC

(%)

Dry weight

(g)

RGR

(d-1 g kg-1)

 

100

Sirvan

0

70

13.66b

85.16 ab

0.722bc

0.028 ab

 
     

50

9.78fg

76.56fg

0.542ef

0.02ef

 
     

30

6.9jk

67.70i

0.496hi

0.016 gh

 
   

50

70

13.76 b

83.13 bcd

0.854 ab

0.029 a

 
     

50

9.16gh

72.04h

0.662d

0.02 ef

 
     

30

5.8 ll

55.38 o

0.544ef

0.017g

 
   

100

70

14.96 a

85.24a

0.903 a

0.03 a

 
     

50

11.96d

73.35gh

0.649d

0.02 ef

 
     

30

7.6ij

61.64jkl

0.542 ef

0.017 g

 
 

Marvdasht

0

70

13.36 b

87.05ab

0.869 ab

0.027bc

 
     

50

7.68 ij

65.68 ig

0.455 ghi

0.02 ef

 
     

30

5.13klm

51.45p

0.330 jk

0.015 hi

 
   

50

70

13.6b

83.44 bcd

0.932 a

0.029 a

 
     

50

7.64 ij

65.06ig

0.452 ghi

0.021 de

 
     

30

5.6klm

55.56o

0.254 lmn

0.013 ij

 
   

100

70

15 a

83.37 bcd

0.968 a

0.03a

 
     

50

13.31 b

72.72h

0.363ij

0.022 d

 
     

30

7.13jk

60.74 lm

0.3klm

0.016 gh

 

0

Sirvan

0

70

10.5ef

77.96 ef

0.893 ab

0.025c

 
     

50

7.1 jk

71.95h

0.486gh

0.017g

 
     

30

5.3klm

53.53op

0.274lm

0.014ij

 
   

50

70

12.01d

83.62bcd

0.879 ab

0.027 bc

 
     

50

8.96 gh

76.76 fg

0.576ef

0.019f

 
     

30

6.11kl

60.29 mn

0.257 lmn

0.015 hi

 
   

100

70

13.26bc

84.8 ab

0.91 a

0.03 a

 
     

50

9.87 fg

78.44ef

0.548f

0.02 ef

 
     

30

7.3 ij

63.22 ijk

0.351 jk

0.017g

 
 

Marvdasht

0

70

9.72 fg

80.34de

0.846b

0.025 c

 
     

50

7.67ij

64.25 igk

0.401hi

0.015hi

 
     

30

3.44o

50.56 p

0.15n

0.011k

 
   

50

70

10.95f

80.95 cde

0.858b

0.026 c

 
     

50

7.4 ij

66.33

0.548 ef

0.016 gh

 
     

30

4.97mn

56.07no

0.221mn

0.012jk

 
   

100

70

12.72 bc

81.99 bcd

0.899a

0.03 a

 
     

50

8.4hi

67.65i

0.656d

0.022d

 
     

30

5.91 kl

59.28 mn

0.352 klm

0.016 gh

 
                   

حروف ‌مشابه در هر ستون نشان­دهنده عدم وجود اختلاف معنی‌دار در سطح احتمال پنج درصد توسط آزمون دانکن است.

Similar letters in each column indicate no significant difference at the 5% probability level using Duncan's test.

 

عملکرد دانه: نتایج این پژوهش نشان داد تأثیر رقم بر وزن و تعداد دانه در سطح 1% معنی دار بود. بیشترین وزن دانه در گلدان (وزن دانه 10 بوته) در شرایط آبیاری نرمال و تیمار نانوذره اکسید مس در غلظت 100 میلی­گرم در لیتر حاصل شد که معادل 93/1 گرم بود. همچنین کمترین مقدار وزن دانه در رقم مرودشت در شرایط تنش شدید خشکی و بدون تیمار (14/0گرم) بدست آمد. بر اساس نتایج تجزیه واریانس اثر تیمار نانوذره اکسید مس در سطح %1 و ملاتونین در سطح 5% معنی­دار بود، امّا اثر نانوذره اکسید مس بیشتر از ملاتونین بود. اثر متقابل این دو تیمار نیز در سطح 1% معنی­دار بود (جدول 3). نتایج پژوهش‌های قبلی نشان دادند با اعمال تنش خشکی وزن هزار دانه در گیاه گندم کاهش یافته­است. گیاهان در هنگام مواجهه با تنش خشکی، چرخه زندگی را کوتاه کرده و زودتر وارد فاز زایشی می­شوند. همچنین دوره­ پرشدن دانه نیز کوتاه شده و وزن دانه کاهش می­یابد (Mohammadi et al., 2019). استفاده از تنظیم­کننده­های رشد می­تواند اثرات مخرب کم­آبی را کاهش دهد و ملاتونین به عنوان یک تنظیم­کننده رشد با افزایش محتوای کلروفیل، به تعویق انداختن پیری برگ و افزایش توان فتوسنتزی گیاه، سبب افزایش عملکرد دانه و ذخایر غذایی آن می­شود. ملاتونین با تجمع کربوهیدرات­ها نقش بسزایی در تنظیم اسمزی و حفظ ساختار و عمکرد دانه دارد (Arnao, 2014). استفاده از ملاتونین در گندم سیاه موجب افزایش وزن هزار دانه شده و اثرات تنش خشکی را به میزان قابل توجهی کاهش داده­است. در ارقام گندم مورد بررسی در پژوهش حاضر، رقم سیروان دارای تعداد دانه کم، اما وزن دانه­ بیشتری بود. در مقابل در رقم مرودشت تعداد دانه زیاد و وزن دانه­ها در شرایط آبیاری نرمال کمتر بود. تنش­های محیطی به ویژه تنش خشکی بر روی جذب عناصر و آب، میزان فتوسنتز و ذخایر مخزن (تعداد و وزن دانه) تأثیر گذاشته و سبب کاهش عملکرد دانه می­شوند. در واقع علّت کاهش عملکرد دانه اغلب به علّت تسریع رسیدگی و کاهش طول دوره پرشدن دانه­هاست (Koutroubas & Papakosta, 2010). همچنین  نتایج پژوهش Saeidi et al. (2010) نشان دادند کاهش قابل توجه عملکرد دانه و وزن هزار دانه در تنش خشکی شدید، نتیجه کاهش تولیدات فتوسنتزی (محدودیت منبع) و قدرت مخزن برای جذب مواد فتوسنتزی در زمان پر شدن دانه است. در بررسی حاضر کاهش توان فتوسنتزی گیاه در تنش خشکی شدید، منجر به کاهش میزان محصول تولیدی شد (جداول 5 و6).

 

جدول 3- تجزیه واریانس اثر تیمارهای ملاتونین و نانوذره اکسید مس بر عملکرد دو رقم گندم تحت تنش خشکی در زمان برداشت دانه.

Table 3- Analysis of variance of the effects of melatonin and copper nanoparticle treatments on the performance of two wheat cultivars under drought stress at the time of grain harvest.

S.o.V

Df

Seed number per pot

Seed weight per pot

1000 seed weight

Biological yield

Cultivar

1

231.14**

0.142**

2174.41**

12.95 **

Melatonin

1

29.03*

0.007*

292.05*

2.08 *

Cultivar × Melatonin

1

120.33*

0.013ns

41.81**

0.053ns

CuO Nps

2

76.44**

0.145**

43.96**

29.24**

Cultivar × CuO Nps

2

38.37**

0.054**

1.25ns

34.81*

Melatonin × CuO Nps

2

179.59**

0.59**

148.28**

6.9**

Cultivar × Melatonin × CuO Nps

2

67*

0.108*

18.36*

5.2**

Drought

2

1370.19**

18.34*

2162.87**

182.40**

Cultivar × Drought

2

114.84**

0.08**

62.52**

1.86**

Melatonin × Drought

2

10.731*

0.016*

149.31*

3.16**

Cultivar × Melatonin × Drought

2

18.86*

0.063**

31.01**

0.008ns

CuO Nps × Drought

4

7.4ns

0.016*

27.05**

9.5*

Cultivar × CuO Nps × Drought

4

22.35**

0.022*

12.61*

11.096*

Melatonin × CuO Nps × Drought

4

3.23ns

0.077**

24.95**

3.53**

Cultivar × Melatonin × CuO Nps × Drought

4

35.4*

0.042*

2.96ns

0.96ns

Error

72

3.5

0.005

4.90

0.708

C.V (%)

  

0.68

0.86

0.30

0.51

**، *و ns به ترتیب بیانگر­ معنی­دار بودن در سطوح 1% ، 5% و عدم معنی­دار بودن است.

**,* and ns represent significant at 1% and 5% probability level and not significant, respectively

 

البته باید توجه داشت که داده­های حاصل از دو رقم گندم سیروان و مرودشت در این پژوهش به علت کنترل­پذیری بیشتر میزان آبیاری و شرایط محیطی، مربوط به شرایط گلخانه­ای ­است، حال آن که بازده برخی صفات دانه در کاشت گلدانی نسبت به شرایط طبیعی و داخل مزرعه متفاوت و بعضی اوقات کمتر است (Van Ginkel et al., 1998). همچنین نتایج تجزیه واریانس نشان داد که تأثیر رقم بر شاخص وزن هزار دانه نیز معنی­دار بود (جدول 3). بیشترین وزن هزار دانه در رقم سیروان تحت تیمار ملاتونین و نانوذره اکسید مس و در شرایط آبیاری نرمال، و کمترین وزن هزار دانه در رقم مرودشت تحت خشکی شدید حاصل شد. به علّت توان ذاتی بالاتر رقم سیروان، وزن هزار دانه در این رقم 4/39 گرم در مقایسه با 7/29 گرم در رقم مرودشت بود (جدول 4). اثر تنش خشکی شدید بر شاخص وزن هزار دانه تفاوت چندانی با تنش متوسط نشان نداد. از سوی دیگر هر دو سطح تنش خشکی منجر به کاهش معنی­دار این شاخص نشدند، زیرا در تنش خشکی بین وزن و تعداد دانه یک رابطه جبرانی وجود دارد، یعنی تعداد دانه کم شده، اما وزن آن کاهش  نیافت که با نتایج (Amerian et al. (2022 همخوانی داشت. در مجموع کاهش وزن هزار دانه و عملکرد آن در این شرایط بیشتر مربوط به سرعت بیشتر  رسیدگی و کاهش دوره پر شدن دانه است. بر اساس نتایج تجزیه واریانس، تأثیر ملاتونین و نانوذره اکسید مس در سطح 1% معنی­دار بود (جدول 3) و استفاده از آن­ها اثرات خشکی را تا حدودی تعدیل کرد، به نحوی که در شرایط آبیاری نرمال تیمار ملاتونین و نانوذره اکسید مس (غلظت 100 میلی­گرم در  لیتر) ، وزن هزار دانه (43/44 گرم) را به میزان %13 نسبت به شاهد (4/39 گرم) افزایش داد. در برخی پژوهش‌ها، افزایش وزن هزار دانه در ارقام گندم، به افزایش مقاومت به تنش خشکی توسط بهبود هدایت روزنه­ای و محتوای نسبی آب، نسبت داده شده­است (Emadi et al., 2013). کاهش عملکرد دانه در شرایط تنش خشکی در گیاه گندم در پژوهش­های دیگری نیز گزارش شده­است (Amerian et al., 2022; Amin Azarm et al., 2023).

 

عملکرد زیستی: مقدار وزن خشک کل گیاه ارتباط مستقیمی با میزان فتوسنتز دارد. به عبارت دیگر، مشخص شده است که ترکیبات اندولی )از جمله ملاتونین) با تأثیر بر فتوسنتز، تنفس، فعالیت آنزیم­ها و هورمون­ها، جذب یون­ها و نفوذپذیری غشاء و میزان رشد، عملکرد زیستی گیاه را افزایش می­دهند (Zhang et al., 2015). بر اساس یافته­های پژوهش حاضر، اثر ملاتونین و نانو ذره اکسید مس در سطح 1% بر وزن خشک گیاه در زمان برداشت معنی­دار بود (جدول 3). همچنین اثر متقابل ملاتونین و رقم بر این شاخص معنی­دار بود. خیساندن بذرها در محلول نانوذره اکسیدمس و اسپری برگی ملاتونین، در هنگام تنش خشکی و نیز در زمان آبیاری نرمال بر میزان وزن خشک گیاه تأثیر داشت (جدول 4). در هر دو رقم سیروان و مرودشت در شرایط آبیاری نرمال، ملاتونین و نانوذره اکسید مس در غلظت 100 میلی­گرم در لیتر، سبب افزایش30 درصدی وزن خشک گیاه شدند. در شرایط تنش بیشترین وزن خشک گیاه نسبت به شاهد در حضور ملاتونین حاصل شد، با این وجود، تفاوت اثر غلظت­های 50 و 100 میلی­گرم در لیتر نانوذره اکسید مس بر این شاخص معنی­دار نبود. وزن خشک رقم سیروان در شرایط فوق 33% و رقم مرودشت 26% نسبت به شاهد افزایش نشان داد. همچنین بر اساس یافته سایر پژوهشگران نیز استفاده غلظت­های کم نانواکسید مس (20 میلی­گرم در لیتر) درصد جوانه­زنی، مقدار زیست­توده و فعالیت آنزیم­های آنتی­اکسیدانی را افزایش داد، امّا غلظت­های بالای آن (200 میلی­گرم در لیتر) بر این شاخص­ها تأثیر منفی داشت (Ananda et al., 2019).

 

جدول 4- مقایسه میانگین اثر تیمارهای ملاتونین و نانوذره اکسید مس بر عملکرد دو رقم گندم تحت تنش خشکی در زمان برداشت دانه.

Table 4- Mean comparison of the effects of melatonin and copper oxide nanoparticle treatments on the performance of two wheat cultivars under drought stress at grain harvest time.

Melatonin (µM)

Cultivar

CuO Nps (mg/L)

Drought (FC%)

Seed number per pot (g)

Seed weight per pot (g)

1000 seed weight (g)

Biological yield (g)

100

  

0

70

42.0c

1.18f

42.9 a

7.9b
 

Sirvan

  

50

22.0 f

0.8 g

36.4e

5.2cde
 

 

  

30

9.0 j

0.24 gkl

26.86 ghi

3.8ef
   

50

70

35.667d

1.42 de

39.73

8.2 b
     

50

14.667hg

0.4 hi

27.4gh

5.4cde
     

30

8.667 j

0.173 klm

20.33 j

3.3ef
   

100

70

36.3 d

1.36 ef

44.43a

9.16 a
     

50

15.66g

0.447h

37.7d

6.7c
     

30

8.00 j

0.19 klm

26.9 ghi

4.02def
   

0

70

45.33 a

1.71bc

37.83d

6.9c
 

Marvdasht

  

50

14.33 gh

0.38 hi

26.76 ghi

4.5de
     

30

11.66i

0.183 klm

13.66k

2.6g
   

50

70

44.667 ab

1.57 d

37.7 d

8.3 b
     

50

12.667h

0.21 klm

16.73 k

4.6de
     

30

9.333 j

0.14m

15.7 k

3.3 ef
   

100

70

46.33 a

1.83b

34.8F

9.15a
     

50

13.66h

0.21klm

15.43 k

3.66 ef
     

30

9.33j

0.147 m

15.69 k

3.03 efg

0

Sirvan

0

70

32.66 de

1.28f

39.4bc

6.9 c
     

50

6.66 kl

0.233 gkl

35.0ef

4.66de
     

30

4.66 l

0.149lm

30.63 g

3.01 efg
   

50

70

32.33e

1.37 ef

42.43 ab

6.13 cd
     

50

8.00kj

0.28igk

35.4 ef

5.53 cde
     

30

5.66l

0.173 klm

30.66g

3.46 ef
   

100

70

43.66a

1.93a

44.3a

8.56 b
     

50

21.66f

0.84g

38.7 cd

5.06de
     

30

8.33 kj

0.23gkl

28.03hg

3.36 ef
 

Marvdasht

0

70

46.33a

1.38 ef

29.73g

6.42 c
     

50

15.66 g

0.39 hi

24.66hi

4.12 def
     

30

7.00 k

0.143m

20.26j

2.16g
   

50

70

45.66 a

1.34 ef

30.06 g

6.63 c
     

50

15.61 g

0.34 hig

22.2j

2.96 fg
     

30

7.000 k

0.15lm

21.66 j

2.23g
   

100

70

46 a

1.6 cd

36.5 de

9.05 a
     

50

15 g

0.37 hig

24.93hi

6.6 c
     

30

13.66h

0.307g

22.6 ij

2.8fg

حروف ‌مشابه در هر ستون نشان­دهنده عدم وجود اختلاف معنی‌دار در سطح احتمال پنج درصد توسط آزمون دانکن است.

Similar letters in each column indicate no significant difference at the 5% probability level using Duncan's test.

 

 

محتوای رنگیزه­های فتوسنتزی: نتایج تجزیه واریانس تیمارها نشان داد تنش خشکی بر محتوای کلروفیل a، کلروفیل b و کاروتنوئیدها در هر دو رقم گندم مورد بررسی در سطح 1% موثر بود (جدول 5). همچنین اثر ملاتونین و نانوذره اکسید مس در سطح 1% بر هر محتوای هر سه رنگیزه معنی­دار بود. از سوی دیگر، اثر متقابل نانوذره اکسید مس و ملاتونین نیز در سطح 1% بر محتوای هر سه رنگیزه معنی­دار بود. با اعمال تنش محتوای رنگیزه­ها کاهش یافت، امّا تیمارهای نانوذره اکسید مس و ملاتونین شدت اثرات منفی تنش خشکی را کاهش دادند. بیشترین محتوای کلروفیل a در شرایط تنش خشکی شدید و در حضور نانوذره اکسید مس و ملاتونین، 817/16 میلی­گرم بر گرم وزن­تر در رقم سیروان بود و کمترین مقدار آن در شرایط تنش و بدون تیمار، 327/3  میلی­گرم بر گرم وزن­تر در رقم مرودشت بود (جدول 6).

 

جدول 5- تجزیه واریانس اثر تیمارهای ملاتونین و نانوذره اکسید مس بر محتوای رنگیزه­های فتوسنتزی در دو رقم گندم تحت تنش خشکی.

Table 5- Analysis of variance of the effect of melatonin and copper nanoparticle treatments on the content of photosynthetic pigments in two wheat cultivars under drought stress.

S.o.V

Df

Chlorophyll a

Chlorophyll b

Carotenoids

Cultivar

1

70.23**

13.63**

1.31**

Melatonin

1

213.88**

43.80**

0.728**

Cultivar × Melatonin

1

9.95**

0.002 ns

0.114**

CuO Nps

2

117.74**

25.53**

2.35**

Cultivar × CuO Nps

2

9.4**

0.56*

0.132**

Melatonin × CuO Nps

2

23.38**

9.21**

0.059**

Cultivar × Melatonin × CuO Nps

2

1.50**

0.064ns

0.044*

Drought

2

302.38**

46.29**

4.7**

Cultivar × Drought

2

3.918**

0.76**

0.042**

Melatonin × Drought

2

10.32**

3.05**

0.18**

Cultivar × Melatonin × Drought

2

1.57**

0.082 ns

0.012ns

CuO Nps × Drought

4

8.94**

9.63**

125.38*

Cultivar × CuO Nps × Drought

4

4.36*

1.52*

24.24**

Melatonin × CuO Nps × Drought

4

1.65**

2.42**

7.4**

Cultivar × Melatonin × CuO Nps × Drought

4

1.74**

0.166 ns

0.024*

Error

72

0.199

0.143

0.007

C.V (%)

  

0.56

0.26

0.35

**، *و ns به ترتیب بیانگر­ معنی­دار بودن در سطوح 1% ، 5% و عدم معنی­دار بودن است.

**,* and ns represent significant at 1% and 5% probability level and not significant, respectively.

 

اعمال تنش سبب کاهش 43% محتوای کاروتنوئیدها در رقم مرودشت نسبت به شرایط آبیاری نرمال شد. ملاتونین اثرات منفی خشکی را کاهش داد و به مقدار 34% رساند. با تیمار نانوذره اکسید مس کاهش محتوای کاروتنوئیدها نسبت به شرایط آبیاری نرمال به 26% و با کاربرد همزمان نانوذره اکسیدمس و ملاتونین به 16% رسید. در پژوهش‌های مختلف کاهش محتوای کلروفیل حین تنش خشکی گزارش شده­است (Nematpour et al., 2019). در پژوهشی بر روی گندم سیاه استفاده از 100 میکرومولار ملاتونین در شرایط تنش خشکی شدید، به ترتیب منجر به افزایش 77% و 153% محتوای کلروفیل a و کلروفیل b نسبت به شاهد شد (Hossain et al., 2020). گزارش­های دیگر نیز نشان دادند ملاتونین در گیاهان تحت تنش، محتوای رنگیزه­های فتوسنتزی را افزایش داده و تخریب کلروفیل و کلروز برگی را به تأخیر می‌اندازد. تأثیر مثبت ملاتونین بر عملکرد کلروپلاست­ها در گیاه گوجه‌فرنگی تحت تنش باران اسیدی گزارش شده­است (Debnath et al., 2018). پیش‌تیمار گیاه Cucumis sativus تحت تنش خشکی توانست تجزیه کلروفیل را کاهش داده و فعالیت آنزیم­های آنتی­اکسیدانی را افزایش داده و در نتیجه اثرات تنش خشکی را تعدیل نماید (Zhanget al., 2013). به نظر می‌رسد ملاتونین با فعال­نمودن ژن CAB سبب افزایش بیوسنتز کلروفیل شده و در عین حال با کاهش بیان ژن PAO که یک ژن کلیدی در تخریب کلروفیل است، محتوای کلروفیلی گیاه را بهبود می­بخشد (Wang et al., 2013; Weeda et al., 2014). در گیاه ذرت تنش خشکی در روز هشتم مقدار کلروفیل را کاهش داد، امّا نسبت رنگیزه­های تنفسی در ذرت­های تیمار شده با ملاتونین به طور معنی­داری بیشتر از مقادیر آن در ذرت­های تیمار نشده گزارش شد.

افزایش قابل­توجه محتوای کلروفیل­ها و کاروتنوئیدها در نتیجه تیمار گندم تحتت تنش خشکی، با نانوذره اکسید مس در غلظت 50 میلی­گرم در لیتر به دو روش اسپری برگی و پرایمینگ بذور گندم قبلا نیز گزارش شده­است (Badawy et al., 2021). استفاده از نانوذره اکسید مس در غلظت­ 20 میلی­گرم در لیتر در گیاه گوجه­فرنگی نیز منجر به افزایش محتوای رنگیزه­های فتوسنتزی و شدت فتوسنتز شده­است (Ananda et al., 2019). افزایش فتوسنتز ممکن است به علّت افزایش فعالیت‌های زیستی و شیمیایی مواد مغذی فلزی (منیزیم، آهن، روی و غیره) در مقیاس نانو و تأثیر متقابل آن­ها بر گیاهان باشد. افزایش محتوای کاروتنوئیدها بعنوان یک پاسخ دفاعی، نقش مهمی در حذف گونه‌های فعال اکسیژن و حفاظت گیاه در برابر تنش اکسیداتیو دارد. فلزات در مقیاس نانو همچنین می‌توانند سبب افزیش استحکام ساختار کلروفیل شده و بیوسنتز رنگیزه­های فتوسنتزی و فعالیت‌های متابولیکی آن­ها را تسهیل کنند (Rizwan et al., 2019). مس به‌عنوان یک ریزمغذی در ساختار پروتئین‌های تنظیمی و بعنوان یک فعال‌کننده آنزیمی در برخی واکنش­ها شرکت نموده و از اجزای زنجیره انتقال الکترون فتوسنتزی است (Badawy et al., 2021). در این پژوهش کاهش محتوای رنگیزه­های فتوسنتزی در رقم حساس در سطح 1% به صورت معنی‌داری بیش‌تر از رقم مقاوم بود. در تنش ملایم خشکی، افزایش محتوای کلروفیل a و b در هر دو رقم مشاهده شد که علّت آن کاهش سطح برگ و حجم سلول‌های مزوفیلی به عنوان پاسخ اولیه به تنش ‌آبی و در نتیجه افزایش محتوای کلروفیل است.

 

جدول6 - مقایسه میانگین اثر تیمارهای ملاتونین و نانوذره اکسید مس بر محتوای رنگیزه­های فتوسنتزی در دو رقم گندم تحت تنش خشکی.

Table 6- Mean comparison of the effects of melatonin and copper oxide nanoparticle treatments on the content of photosynthetic pigments in two wheat cultivars under drought stress.

Melatonin (µM)

Cultivar

 

CuO Nps (mg/L)

Drought

(%FC)

Chlorophyll a (mg/g FW)

Chlorophyll b (mg/g FW)

Carotenoids

(mg/g FW)

100

Sirvan

 

0

70

9.256 f

4.101 d

1.532 ef
   

 

  

50

8.15 gh

2.88 gh

1.114 hi
   

 

  

30

3.54 q

1.996 jk

0.992 j
   

 

50

70

14.12 b

5.101 c

2.184 b
   

 

  

50

10.80 d

3.344 ef

1.654 de
   

 

  

30

6.097 q

2.494 ij

1.084 ij
   

 

100

70

16.817 a

7.573 a

2.507 a
   

 

  

50

13.213 c

6.657 b

1.873 c
   

 

  

30

6.82 m

2.937 gh

1.3403 g
 

Marvdasht

 

0

70

8.823 g

3.080 fg

1.467 ef
   

 

  

50

6.27 mn

2.033 jk

1.093 hij
   

 

  

30

3.587 q

1.87 kl

0.870 k
   

 

50

70

13.087 c

4.247 cd

1.77 cd
   

 

  

50

7.677 kl

2.89 gh

1.133 hi
   

 

  

30

4.73 p

2.066 jk

0.933 jk
   

 

100

70

14.380 b

6.747 b

2.127 b
   

 

  

50

9.68 ef

5.137 c

1.41 fg
   

 

  

30

5.713 no

2.537 hi

1.170 ij

0

Sirvan

 

0

70

7.596 klm

3.388 e

1.44 f
   

 

  

50

6.460 m

2.44 ij

0.993 j
   

 

  

30

3.11 p

1.508 lm

0.860 k
   

 

50

70

8.753 g

3.767 e

1.682 de
   

 

  

50

7.190 lm

2.466 ij

1.445 f
   

 

  

30

3.327 n

1.779 l

1.173 gh
   

 

100

70

11.030 d

4.501 cd

1.824 c
   

 

  

50

9.66 ef

3.219 f

1.711 cd
   

 

  

30

5.61 no

2.47 ij

1.253 gh
 

Marvdasht

 

0

70

8.013 h

2.872 gh

1.33 g
   

 

  

50

5.335 o

2.027 jk

0.913 jk
   

 

  

30

2.885 q

0.993 m

0.750 kl
   

 

50

70

7.873 kl

2.683 ghi

1.643e
   

 

  

50

5.603

1.997 jk

1.19 gh
   

 

  

30

3.67 q

1.777 l

0.90 jk
   

 

100

70

9.09 fg

3.236 f

1.747 cd
   

 

  

50

6.867 lm

1.982 jk

1.253 gh
   

 

  

30

4.75 p

1.726 l

0.983 j

حروف ‌مشابه در هر ستون نشان­دهنده عدم وجود اختلاف معنی‌دار در سطح احتمال پنج درصد توسط آزمون دانکن است.

Similar letters in each column indicate no significant difference at the 5% probability level using Duncan's test.

 

 
                 

 

نتیجه‌گیری

طبیعت گندم مقاوم به خشکی است و همین امر سبب شده است که جزء چهار غله پر کشت دنیا باشد. با این وجود، تنش خشکی بر تمام شاخص­های مورد بررسی ارقام گندم در این پژوهش اثر منفی داشت و منجر به کاهش شاخص­های رشدی مختلف مانند سطح برگ، وزن خشک گیاه، رشد نسبی و در مجموع زیست­توده گیاه شد. از سوی دیگر، تنش خشکی با کاهش محتوای رنگیزه­های فتوسنتزی، منجر به کاهش فتوسنتز و کاهش تثبیت دی‌اکسیدکربن و همچنین کاهش تولید دانه شد. استفاده از ملاتونین به عنوان یک تنظیم­کننده­ رشد، اثرات منفی خشکی را تعدیل نمود. ملاتونین توسط افزایش محتوای رنگیزه­های فتوسنتزی و میزان زیست­توده، تولید محصول را از نظر تعداد دانه و نیز از نظر وزن آن بهبود بخشید. نانوذره اکسید مس نیز با کاستن اثرات منفی خشکی، بر اکثر شاخص­های مورد بررسی مانند محتوای نسبی آب برگ، وزن خشک گیاه، محتوای رنگیزه­های و عملکرد دانه تأثیر مثبت داشت، زیرا مس به‌عنوان یک عنصر ریز مغذی برای عملکرد آنزیم­های مختلف ضروری است و در بسیاری از فرایندهای فیزیولوژیکی نقش دارد. در این پژوهش غلظت 100 میلی­گرم در لیتر نانوذره اکسید مس، اثرات بهتری را نسبت به غلظت 50 میلی­گرم در لیتر نشان داد، هر چند در برخی شاخص­ها تفاوت معنی­داری بین میانگین داده­های غلظت­های 50 و 100 میلی­گرم در لیتر نانوذره اکسید مس، مشاهده نشد. کاربرد توام نانوذره اکسید مس و ملاتونین تأثیر معنی­داری بر اکثر شاخص­های مورد پژوهش تحت تنش خشکی داشت. رقم سیروان نسبت به رقم مرودشت در شرایط آبیاری نرمال محصول کمتری تولید کرد، امّا در شرایط تنش به ویژه تنش شدید رقم سیروان عملکرد بهتری نشان داد. در بیشتر شاخص­های مورد ارزیابی تأثیر رقم معنی­دار بود و در مجموع تأثیر تیمارهای ملاتونین و نانوذره اکسید مس در تحمل تنش خشکی در رقم سیروان بیشتر از رقم مرودشت بود.

 

تشکر و قدردانی

این پژوهش با حمایت مالی دانشکده علوم پایه دانشگاه بوعلی­سینا همدان انجام شده­است.

References

Amerian M. R., Miri, M., Edalat, M., Baradaran Firouzabadi, M., & Makarian, H. (2022). The effect of spermidine and melatonin on antioxidant enzymes, the amount of routine active ingredient and yield in Buckwheat (Fagopyrum esculentum
Moench.) under drought stress. Journal of Crop Production, 15(4), 63-84. https://doi.org/10.22069/ejcp.2023.19969.2484 [In Persian]
Amin Azarm, D., Jalali, A. H., & Safaei, L. (2023). The role of zinc foliar application on modulating the effects of drought stress in some wheat cultivars. Crop Science Research in Arid Regions, 4(2), 305-320. https://doi.org/10.22034/csrar.2022.323047.1178 [In Persian]
Ananda, S., Shobha, G., Shashidhara, K., & Mahadimane, V. (2019). Nano-cuprous oxide enhances seed germination and seedling growth in Lycopersicum esculentum plants. Journal of Drug Delivery and Therapeutics, 9(2).     https://doi.org/10.22270/jddt.v9i2.2554
Arnao, M. B. (2014). Phytomelatonin: discovery, content, and role in plants. Advances in Botany,1, 815769. https://doi.org/10.1155/2014/815769
Arnon, D. I. (1949). Copper enzymes in isolated chloroplasts. Polyphenoloxidase in Beta vulgaris. Plant Physiology, 24(1), 1. https://doi.org/10.1104/pp.24.1.1
Badawy, A. A., Abdelfattah, N. A., Salem, S. S., Awad, M. F., & Fouda, A. (2021). Efficacy assessment of biosynthesized copper oxide nanoparticles (CuO NPs) on stored grain insects and their impacts on morphological and physiological traits of wheat (Triticum aestivum L.) plant. Biology, 10(3), 233.    https://doi.org/10.3390/biology10030233
 
Cai, H., Li, J., Li, J., & Teng, H. (2025). Melatonin-Angel of plant growth regulation and protection. Advanced Agrochem Journal, 4, 114-122. https://doi.org/10.1016/j.aac.2025.01.001
Chibber, S., Ansari, S. A., & Satar, R. (2013). New vision to CuO, ZnO, and TiO2 nanoparticles: their outcome and effects. Journal of Nanoparticle Research, 15, 1-13.
https://doi.org/10.1007/s11051-013-1492-x
Chopra, V., & Paroda, R. S. (2015). Approaches for incorporating drought and salinity resistance in crop plants. New India Publishing Agency.          https://doi.org/10.59317/9789389907452
Colombage, R., Singh, M. B., & Bhalla, P. L. (2023). Melatonin and abiotic stress tolerance in crop plants. International Journal of Molecular Sciences, 24(8), 7447.  https://doi.org/10.3390/ijms24087447
Cui, G., Zhao, X., Liu, S., Sun, F., Zhang, C., & Xi, Y. (2017). Beneficial effects of melatonin in overcoming drought stress in wheat seedlings. Plant Physiology and Biochemistry, 118, 138-149.       https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2017.06.014
Debnath, B., Hussain, M., Irshad, M., Mitra, S., Li, M., Liu, S., & Qiu, D. (2018). Exogenous melatonin mitigates acid rain stress to tomato plants through modulation of leaf ultrastructure, photosynthesis and antioxidant potential. Molecules, 23(2), 388.  https://doi.org/10.3390/molecules 23020388
Deng, X. P., Shan, L., Inanaga, S., & Inoue, M. (2005). Water‐saving approaches for improving wheat production. Journal of the Science of Food and Agriculture, 85(8), 1379-1388.          https://doi.org/10.1002/jsfa.2101
Dongxiao, L., Zhang, D., Hongguang, W., Yanming, L., & Ruiqi, L. (2017). Physiological response of plants to polyethylene glycol (PEG-6000) by exogenous melatonin application in wheat. Zemdirbyste-Agriculture, 104(3), 219-228.
https://doi.org/10.13080/z-a.2017.104.028
Ehdaie, B., & Waines, J. G. (1993). Variation in water‐use efficiency and its components in wheat: I. Well‐watered pot experiment. Crop Science, 33(2), 294-299. https://doi.org/10.2135/cropsci1993.0011183X003300020016x
Emadi, M. S., Hassibi, P., & Azimi, A. (2013). Effect of foliar application of Putrescine and nutrient elements on grain yield and quality of two bread wheat cultivars. Iranian Society of Crops and Plant Breeding Sciences, 15(3), 247-261. https://agrobreedjournal.ir/article-1-57-en.html [In Persian]
Farooq, M., Wahid, A., Kobayashi, N., Fujita, D., & Basra, S. M. (2009). Plant drought stress: effects, mechanisms and management. Sustainable Agriculture, 153-188. https://doi.org/10.1051/agro:2008021
Haqshenas, A., Azizi, K., Bakhtiari, N., & Heydari, S. (2025). Evaluation of photosynthetic pigments, yield and yield components of mung bean (Vigna radiate L.) in response to humic acid application and irrigation interruption. Crop Science Research in Arid Regions, 7(1), 217-233. https://do.org/10.22034/csrar.2023.379755.1310 [In Persian]
Hossain, M. S., Li, J., Sikdar, A., Hasanuzzaman, M., Uzizerimana, F., Muhammad, I., & Feng, B. (2020). Exogenous melatonin modulates the physiological and biochemical mechanisms of drought tolerance in tartary buckwheat (Fagopyrum tataricum (L.) Gaertn.). Molecules, 25(12), 2828.    https://doi.org/10.3390/molecules25122828
Janas, K. M., & Posmyk, M. M. (2013). Melatonin, an underestimated natural substance with great potential for agricultural application. Acta Physiologiae Plantarum, 35(12), 3285-3292.
https://doi.org/10.1007/s11738-013-1372-0
Johnson, D. A., & Wilcoxson, R. D. (1978). Components of slow-rusting in barley infected with Puccinia hordei. Phytopathology, 68(10), 1470-1474. https://doi.org/10.1094/Phyto-68-1470
Koutroubas, S. D., & Papakosta, D. K. (2010). Seed filling patterns of safflower: Genotypic and seasonal variations and association with other agronomic traits. Industrial Crops and Products, 31(1), 71-76. https://doi.org/10.101/6j.indcrop.2009.09.014
Kumar, A., & Sharma, S. (2007). Genetics of excised-leaf water loss and relative water content in bread wheat (Triticum aestivum L.). Cereal Research Communications, 35(1), 43-52.    https://doi.org/10.1556/CRC.35.2007.1.6
Li, R., Bi, R., Cai, H., Zhao, J., Sun, P., Xu, W., & Li, G. (2023). Melatonin functions as a broad‐spectrum antifungal by targeting a conserved pathogen protein kinase. Journal of Pineal Research, 74(1), e12839.
https://doi.org/10.1111/jpi.12839
Linh, T. M., Mai, N. C., Hoe, P. T., Lien, L. Q., Ban, N. K., Hien, L. T. T., & Van, N. T. (2020). Metal-based nanoparticles enhance drought tolerance in soybean. Journal of Nanomaterials, 6, 1-13. https://doi.org/10.1155/2020/4056563
Mohammadi, Y., Baradaran Firouzabadi, M., Gholami, A., & Makarian, H. (2019). The effect of vitamins B group and melatonin foliar application on soybean growth indices, leaf senescence and yield components. Journal of Crop Production, 12(3), 173-190.      https://doi.org/10.22069/ejcp.2019.16549.2237 [In Persian]
Nematpour, A., Eshghizadeh, H. R., & Zahedi, M. (2019). Drought-tolerance mechanisms in foxtail millet (Setaria italica) and proso millet (Panicum miliaceum) under different nitrogen supply and sowing dates. Crop and Pasture Science, 70(5), 442-452. https://doi.org/10.1071/CP18501
Poorter, H., & Remkes, C. (1990). Leaf area ratio and net assimilation rate of 24 wild species differing in relative growth rate. Oecologia, 83(4), 553-559. https://doi.org/10.1007/BF00317209
Rai, M., Ingle, A. P., Pandit, R., Paralikar, P., Shende, S., Gupta, I., & da Silva, S. S. (2018). Copper and copper nanoparticles: Role in management of insect-pests and pathogenic microbes. Nanotechnology Reviews, 7(4), 303-315.     https://doi.org/10.1515/ntrev-2018-0031
Rizwan, M., Ali, S., Ali, B., Adrees, M., Arshad, M., Hussain, A., & Waris, A. A. (2019). Zinc and iron oxide nanoparticles improved the plant growth and reduced the oxidative stress and cadmium concentration in wheat. Chemosphere, 214, 269-277.     https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2018.09.120
Saeidi, M., & Abdoli, M. (2015). Effect of drought stress during grain filling on yield and its components, gas exchange variables, and some physiological traits of wheat cultivars. Journal of Agricultural Science and Technology, 17(4), 885-898. https://jast.modares.ac.ir/article_15746.html [In Persian]
Sibel, T., & Birol, T. (2007). Some physiological responses of drought stress in wheat genotypes with different ploidity in Turkey. World Journal of Agricultral Sciences, 3(2), 178-183. https://www.researchgate.net/publication/288027188_Some_physiological_responses_of_drought_stress_in_wheat_genotypes_with_different_ploidity_in_Turkiye
Taran, N., Storozhenko, V., Svietlova, N., Batsmanova, L., Shvartau, V., & Kovalenko, M. (2017). Effect of zinc and copper nanoparticles on drought resistance of wheat seedlings. Nanoscale Research Letters, 12(1), 1-6. https://doi.org/10.1186/s11671-017-1839-9
Tommasini, L., J. T. Svensson, E. M. Rodriguez, A. Wahid, M. Malatrasi, K. Kato, S. Wanamaker, J. Resnik and T. J. Close (2008). Dehydrin gene expression provides an indicator of low temperature and drought stress: transcriptome-based analysis of barley (Hordeum vulgare L.). Functional and Integrative Genomics, 8, 387-405.
https://doi.org/10.1007/s10142-008-0081-z
Van Ginkel, M., Calhoun, D., Gebeyehu, G., Miranda, A.,Tian-You, C., Pargas Lara, R., & Rajaram, S. (1998). Plant traits related to yield of wheat in early, late, or continuous drought conditions. Euphytica, 100(1), 109-121.            https://doi.org/10.1023/A:10183642083
Van Nguyen, D., Nguyen, H. M., Le, N. T., Nguyen, K. H., Nguyen, H. T., Le, H. M., & Van Ha, C. (2021). Copper nanoparticle application enhances plant growth and grain yield in maize under drought stress conditions. Journal of Plant Growth Regulation, 1-12.  https://doi.org/10.1007/s00344-021-10301-w
Wang, L., Feng, C., Zheng, X., Guo, Y., Zhou, F., Shan, D., & Kong, J. (2017). Plant mitochondria synthesize melatonin and enhance the tolerance of plants to drought stress. Journal of Pineal Research, 63(3), e12429.
https://doi.org/10.1111/jpi.12429
Wang, P., Sun, X., Li, C., Wei, Z., Liang, D., & Ma, F. (2013). Long‐term exogenous application of melatonin delays drought‐induced leaf senescence in apple. Journal of Pineal Research, 54(3), 292-302.
https://doi.org/10.1111/jpi.12017
Weeda, S., Zhang, N., Zhao, X., Ndip, G., Guo, Y., Buck, G. A., & Ren, S. (2014). Arabidopsis transcriptome analysis reveals key roles of melatonin in plant defense systems. Plos One, 9(3), e93462. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0093462
Zhang, N., Zhao, B., Zhang, H. J., Weeda, S., Yang, C., Yang, Z. C., Ren, S. and Guo, Y. D. (2013) Melatonin promotes water‐stress tolerance, lateral root formation, and seed germination in cucumber (Cucumis sativus L.). Journal of Pineal Research, 54, 15-23.       https://doi.org/10.1111/j.1600-079X.2012.01015.x
Zhang, N., Sun, Q., Zhang, H., Cao, Y., Weeda, S., Ren, S., & Guo, Y. D. (2015). Roles of melatonin in abiotic stress resistance in plants. Journal of Experimental Botany, 66(3), 647-656.      https://doi.org/10.1093/jxb/eru336
Journal of Plant Biological Sciences
Volume 17, Issue 3 - Serial Number 65
September 2025
Pages 25-46

Files

History

  • Receive Date: 24 October 2025
  • Revise Date: 14 December 2025
  • Accept Date: 15 December 2025

Share

How to cite

Statistics